【材料】混合相三氧化钨为助催化剂的层级结构硅基光电阴极，用于高效光电化学锂提取

2023-05-06 12:20:06

自锂电池面世以来，已应用于新能源汽车等多种电子设备上。但地球上的锂资源是有限的，要是能实现锂电池中的锂（Li）资源循环利用，将能有效解决未来锂资源短缺的问题。近日，湖南大学王双印/郑建云团队和中科院上海硅酸盐研究所曹逊团队设计并制备了层级结构的硅基光电阴极，利用太阳能来回收废弃Li⁺电池电解液中的金属Li。

随着新能源汽车的发展，电动汽车的投产使用规模正在以惊人的速度扩大，且每辆纯电动汽车需要使用7.76千克的锂（Li）。同时，每年有 200-500吨电池被报废，其电解液中含2%-7%的锂离子。传统锂电池回收工艺更关注怎样减少废弃电池的数量，而对处理过程中可能涉及的污染源关注很少。在回收过程中锂离子电池中的各类金属化合物、有机物以及其他潜在的危险污染源对生态环境、人类的健康和社会的可持续的发展都存在极大的危害。由此可知，开发并利用绿色、清洁且高效的技术，回收废弃电池中的Li，实现Li资源的再利用，是科技快速发展的迫切需求之一。光电化学（PEC）是一种能够直接实现太阳能到化学能转换的技术，具有清洁、高效和可大规模使用等优点。因此，开发和设计高质量的光电阴极实施高效光电化学提Li具有重要的研究价值。

近日，湖南大学王双印/郑建云团队和中科院上海硅酸盐研究所曹逊团队设计并制备了由无定形（a-WO₃）和结晶态（c-WO₃）组成的混合相三氧化钨（WO₃）作为助催化剂的层级结构硅基光电阴极，用于废弃Li离子电池电解液中的金属Li提取。通过准原位和电化学测试，论证了a-WO₃和c-WO₃互相协同，降低了Li⁺还原成金属锂能垒的反应机理。在0.0817 V vs (Li⁺/Li)的应用电势下，光电阴极在三电极光电化学反应池中提取金属Li的速率高达223 μg/cm²/h，法拉第效率可达91.9%。将其与TiO₂光电阳极组成双电极光电化学器件，在2 V的工作电压下，该器件提取金属Li的速率可达130.4 μg/cm²/h，法拉第效率接近100%，具有极高的商业应用化价值。

在光源照射下，光电阴极表面的WO₃接收了由硅基底表面迁移过来的电子，电极表面带负电荷，而电解液中的Li⁺带正电荷，在静电相互作用下，Li⁺在电极表面富集吸附。当对光电阴极施加偏置电压时，吸附在电极表面的Li离子能快速响应插入WO₃的晶格中，形成LiWO₃化合物。这一过程中生成的LiWO₃可以看作光电化学Li提取过程中的过渡态化合物。相比于吸附在光电阴极表面的Li离子直接还原成金属Li这一过程，形成LiWO₃的过程具有更低的能垒，从而更容易发生。且LiWO₃不稳定，反应活性高，当光诱导产生的电子迁移至WO₃层时，LiWO₃中的Li⁺能与电子快速结合还原生成金属Li。